喬衛(wèi)國，宋偉杰，林登閣，吳多華

(1.山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

采選技術(shù)

深部高應(yīng)力巷道圍巖力學(xué)特征及穩(wěn)定性控制技術(shù)

喬衛(wèi)國1，2，宋偉杰1，2，林登閣1，2，吳多華1，2

(1.山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

針對(duì)九龍煤礦-890m進(jìn)風(fēng)行人大巷復(fù)雜的工程地質(zhì)情況，巷道斷面較大且高應(yīng)力作用顯著，現(xiàn)已發(fā)生嚴(yán)重變形破壞。通過FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)巷道圍巖的力學(xué)特征進(jìn)行定量分析，獲得深部高應(yīng)力巷道應(yīng)力、應(yīng)變演化特征，結(jié)合巷道周邊圍巖的成分分析、力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基于FLAC3D對(duì)比優(yōu)化深部高應(yīng)力巷道聯(lián)合支護(hù)方案，探究支護(hù)結(jié)構(gòu)、支護(hù)參數(shù)的可靠性，提出以錨桿、錨索為核心的錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)方案。在巷道開挖后進(jìn)行礦壓觀測，進(jìn)一步驗(yàn)證支護(hù)方案以及數(shù)值模擬結(jié)果的合理性，并實(shí)時(shí)監(jiān)測圍巖的變化特征。工程實(shí)踐表明，在深部高應(yīng)力巷道中采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，巷道的整體性與穩(wěn)定性得到有效改善，圍巖受力更趨穩(wěn)定，變形得到有力控制，為煤礦的安全高效生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

高應(yīng)力；錨網(wǎng)索噴；聯(lián)合支護(hù)；數(shù)值模擬；定量分析

隨著人類對(duì)能源需求量的增加和開采強(qiáng)度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內(nèi)外礦山都相繼進(jìn)入深部資源開采狀態(tài)[1]。尤其是當(dāng)前煤炭資源開采深度的不斷加大，巷道開挖后破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡，將引起巷道附近巖體應(yīng)力狀態(tài)的改變并發(fā)生應(yīng)力的重新分布[2]，特別是在地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)，殘余構(gòu)造應(yīng)力較大，水平構(gòu)造應(yīng)力往往大于垂直自重應(yīng)力，形成高水平地應(yīng)力巷道[3]，其產(chǎn)生的工程災(zāi)害將以更加明顯的方式表現(xiàn)出來，巷道變形劇烈、采場失穩(wěn)加劇、巖爆與沖擊地壓聚增等現(xiàn)象層出不窮，采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式已經(jīng)難以解決深部高應(yīng)力巷道支護(hù)的難題[4]。我國多位學(xué)者對(duì)深部高應(yīng)力巷道圍巖變形特征進(jìn)行了廣泛而深入研究，提出相應(yīng)控制巷道圍巖變形的技術(shù)措施[5-7]。從中可以看出錨桿等主動(dòng)支護(hù)形式越來越得到重視，并在深井、高應(yīng)力等復(fù)雜條件下推廣使用，但在深部高應(yīng)力條件下巖體處于破碎或松散狀態(tài)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用并不能完全發(fā)揮[8]。因此，對(duì)深部高應(yīng)力巷道破壞機(jī)理進(jìn)行分析，提出適用于深部高應(yīng)力巷道的錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，實(shí)施積極有效的主動(dòng)支護(hù)，對(duì)控制巷道變形、保證圍巖穩(wěn)定有著重要的意義。

1 基于數(shù)值模擬分析深部高應(yīng)力巷道圍巖的力學(xué)特征

本數(shù)值模擬以峰峰集團(tuán)九龍煤礦-890m進(jìn)風(fēng)行人大巷為背景，結(jié)合工程地質(zhì)資料，建立數(shù)值模擬模型長×寬×高=50m×30m×30m，共劃分158000個(gè)單元和164679個(gè)節(jié)點(diǎn)，在模型上表面施加22.50MPa的垂直應(yīng)力模擬上覆巖層自重，水平構(gòu)造應(yīng)力通過側(cè)壓力系數(shù)λ=1.3來實(shí)現(xiàn)，并限制其側(cè)面的水平位移，固定底面三個(gè)方向的位移。模擬巖層的劃分與巷道工程地質(zhì)綜合柱狀圖一致，反映巖石材料的物理力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)通過實(shí)驗(yàn)室MTS巖石伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三軸抗壓實(shí)驗(yàn)獲取如表1所示，模型采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則分析深部高應(yīng)力巷道在圍巖開挖前后的受力、變形特性。

表1 巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果

1.1 深部高應(yīng)力巷道開挖前后的位移演化特征

底板、頂板及其右?guī)蛿嗝嬷胁刻?，向圍巖內(nèi)部5m處、10m處隨開挖斷面走向前后5m范圍內(nèi)的垂直位移變化曲線見圖1。

圖1 深部高應(yīng)力巷道開挖后圍巖位移變化曲線

由圖1分析可知，底板中部最大垂直位移為297.30mm，受開挖影響，在開挖斷面處，其垂直位移驟降至45.15mm；底板向下5m處，受開挖有小幅影響，相對(duì)于開挖斷面處的垂直位移22.21mm，開挖斷面后5m處的垂直位移為44.06mm，變化幅度為21.85mm；底板向下10m處，基本不受開挖影響，在開挖斷面前后5m范圍內(nèi)垂直位移變化最大值為6.07mm。頂板中部處最大垂直位移為254.15mm，頂板向上5m處，開挖斷面至開挖斷面后5m的垂直位移變化為21.56mm，與底板向下5m處相比變化不大。右?guī)椭胁孔畲笏轿灰茷?35.38mm，右?guī)拖蛲?0m處，開挖斷面前后5m范圍內(nèi)水平位移變化最大值為4.97mm，受巷道開挖影響很小。從巷道整體來看，開挖斷面后5m處，巷道表面、向圍巖內(nèi)5m、10m隨著向圍巖內(nèi)部深入其位移逐漸變小，隨著巷道開挖斷面后5m處至巷道斷面前5m處范圍內(nèi)其位移逐漸趨于一致。

1.2 深部高應(yīng)力巷道開挖前后的應(yīng)力演化特征

開挖斷面后5m處、開挖斷面處及開挖斷面前5m處的底板中部、頂板中部、右?guī)椭胁肯驀鷰r內(nèi)10m范圍的最大主應(yīng)力變化曲線見圖2。

由圖2分析可知，開挖斷面后5m處，底板中部向下隨著垂直距離的增加，在1.5m處最大主應(yīng)力達(dá)到峰值30.79MPa，之后逐漸降低至原巖應(yīng)力22.50MPa保持平穩(wěn)，在開挖斷面處應(yīng)力集中程度相對(duì)較低，在1m處最大主應(yīng)力達(dá)到峰值27.51MPa，而開挖斷面前5m處，由于最大主應(yīng)力集中區(qū)向未開挖區(qū)域擴(kuò)展，最大主應(yīng)力出現(xiàn)小幅增長。與此同時(shí)，頂板中部、右?guī)椭胁康淖畲笾鲬?yīng)力演化特征與地板中部基本保持一致。從巷道整體來看，巷道頂板應(yīng)力集中現(xiàn)象最明顯，在頂板向上0.6m處已達(dá)到峰值33.82MPa，在開挖斷面前5m處的最大主應(yīng)力擴(kuò)展區(qū)域，底板處應(yīng)力集中相對(duì)最明顯達(dá)到23.11MPa。

1.3 深部高應(yīng)力巷道圍巖的力學(xué)特征

1)巷道由于處于深部高應(yīng)力圍巖中，開挖后圍巖底臌、大變形、流變現(xiàn)象嚴(yán)重，巷道整體性遭到嚴(yán)重破壞。

2)巷道受開挖影響，巷道受力發(fā)生劇烈變化，巷道周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在開挖斷面頂板處應(yīng)力集中趨勢最顯著，并且應(yīng)力集中區(qū)域也會(huì)向未開挖區(qū)域擴(kuò)展。

3)巷道開挖后，巷道表面變形嚴(yán)重，最大變形量出現(xiàn)在底板處，隨著向圍巖內(nèi)部擴(kuò)展其位移變化量逐漸降低，局部圍巖尤其是頂板、底板、底角及肩部往往伴隨著嚴(yán)重的破壞，塑性區(qū)逐漸擴(kuò)展貫通，圍巖破碎，兩幫收斂嚴(yán)重，巷道處于失穩(wěn)狀態(tài)且隨著時(shí)間的增長持續(xù)破壞。

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬模型建立

采用有限差分法軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬研究，F(xiàn)LAC3D是美國ITASCA咨詢集團(tuán)公司研發(fā)的致力于模擬三維巖體的力學(xué)特性，特別是當(dāng)材料達(dá)到屈服極限時(shí)的塑性、軟化特性，廣泛應(yīng)用于巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)、礦山工程、隧道工程等領(lǐng)域。本數(shù)值模擬采用上述分析深部高應(yīng)力巷道圍巖的力學(xué)特征的模型及方法，故不在此進(jìn)行贅述。

2.2 不同支護(hù)方案數(shù)值模擬結(jié)果定量分析

分別采用錨噴、錨網(wǎng)噴、錨網(wǎng)索噴3種支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，為了定量地對(duì)比不同支護(hù)方案的效果，獲取不同支護(hù)方案的底板中部、頂板中部、右?guī)椭胁肯驀鷰r內(nèi)10m范圍的變形曲線見圖3。

圖2 深部高應(yīng)力巷道開挖后的最大主應(yīng)力變化曲線

圖3 不同支護(hù)方案的圍巖變形曲線

不難看出，錨網(wǎng)索噴支護(hù)方案相對(duì)于其他方案展現(xiàn)出很好的支護(hù)效果，尤其是在底板、頂板以及兩幫隨著想圍巖內(nèi)部的深入，在4m范圍內(nèi)，錨噴支護(hù)與錨網(wǎng)噴對(duì)圍巖變形控制的表現(xiàn)較為一致，在圍巖表面發(fā)生較大變形后，以較大的速率降低，從而使得圍巖的穩(wěn)定性存在一定隱患。而錨網(wǎng)索噴支護(hù)后，圍巖變形持續(xù)降低在較小水平中，圍巖表面變形為20mm左右，同時(shí)隨著圍巖向內(nèi)部的深入，位移變化平穩(wěn)，受力穩(wěn)定，在充分調(diào)動(dòng)圍巖自承能力的同時(shí)也有效的保證了圍巖的整體性與穩(wěn)定性，展現(xiàn)出較好的支護(hù)效果。

3 工程應(yīng)用

峰峰集團(tuán)九龍煤礦-890m水平井底車場位于2#煤頂板層位，其周邊主要分布有石盒子組砂巖含水層和奧陶系灰?guī)r含水層，石盒子組砂巖含水層巖性以細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖及砂礫巖為主，裂隙不發(fā)育，富水性較弱。對(duì)于奧陶系灰?guī)r含水層，如遇落差較大的斷層或陷落柱溝通，對(duì)施工巷道頂、底板或兩幫有突水危險(xiǎn)，因此必須采取防范措施，具體支護(hù)示意圖見圖4。

圖4 進(jìn)風(fēng)行人大巷錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)示意圖

針對(duì)峰峰集團(tuán)九龍煤礦深部高應(yīng)力巷道圍巖存在的支護(hù)難題，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，提出以錨桿、錨索為核心的錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)體系，根據(jù)進(jìn)風(fēng)行人大巷的實(shí)際特點(diǎn)以及圍巖的力學(xué)特征，采用合理的支護(hù)方案，并結(jié)合現(xiàn)場進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

進(jìn)風(fēng)行人大巷錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)參數(shù)如下所示。

錨桿：選用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，錨桿長2400mm，間排距為800mm×800mm。錨固力設(shè)計(jì)值為100KN，扭矩不小于300N·m。

錨索：采用Φ18.9×8300mm的1860MPa級(jí)1×7預(yù)應(yīng)力鋼絞線。錨索布置沿巷道中心線布置，間排距為1.6m×1.6m。

金屬網(wǎng)：采用Φ6.5mm圓鋼焊接而成，規(guī)格1500mm×900mm，網(wǎng)格規(guī)格為100mm×100mm，搭接長度為100mm。

鋼筋梯子梁：采用Φ14mm鋼筋焊制而成，梯子梁規(guī)格長×寬為2.48m×0.08m，網(wǎng)孔規(guī)格80mm×80mm，排距為800mm。

噴射混凝土：強(qiáng)度等級(jí)為C25，總厚度為150mm。

水溝、鋪底及基礎(chǔ)混凝土：強(qiáng)度等級(jí)為C25，鋪底厚度為150mm，水溝兩幫及底部澆注厚度為100mm，蓋板厚度為50mm，基礎(chǔ)深度為100mm。

4 礦壓監(jiān)測

為反映巷道開挖后支護(hù)方案的有效性和穩(wěn)定性，及時(shí)了解和掌握巷道在整個(gè)服務(wù)期間的巷道圍巖變形情況和錨桿錨索的支護(hù)效應(yīng)，對(duì)進(jìn)風(fēng)行人大巷進(jìn)行了礦壓監(jiān)測。在巷道掘進(jìn)過程中設(shè)置相應(yīng)的測站，通過測槍并配合使用測桿，對(duì)巷道圍巖表面位移進(jìn)行觀測，巷道表面圍巖相對(duì)移近量與時(shí)間關(guān)系曲線見圖5。

圖5 巷道表面圍巖相對(duì)移近量與時(shí)間關(guān)系曲線

從圖5的礦壓觀測數(shù)據(jù)分析可知，巷道表面變形在30天左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量為40mm、兩幫相對(duì)移近量為35mm，由此說明，進(jìn)風(fēng)行人大巷開挖通過錨網(wǎng)索噴支護(hù)后，支護(hù)結(jié)構(gòu)與巷道圍巖協(xié)同作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)性能得到充分發(fā)揮，巷道的整體穩(wěn)定性以及承載能力有效提升，深部高應(yīng)力巷道的底臌、應(yīng)力集中、大變形特性得到顯著改善，保證了巷道在服務(wù)年限內(nèi)的安全穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1)結(jié)合九龍煤礦所處的工程地質(zhì)狀況，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道深部高應(yīng)力巷道在開挖過程中的力學(xué)特征進(jìn)行定量分析。在開挖之后，巷道表面最大變形位于底板，在深入巷道圍巖內(nèi)部10m處，其受開挖影響較??；開挖過程中應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，應(yīng)力集中最大值均出現(xiàn)在圍巖內(nèi)部1.5m范圍，并且伴隨開挖過程中，應(yīng)力集中區(qū)域向未開挖區(qū)域逐漸擴(kuò)展，至開挖斷面后5m處影響很小。

2)通過FLAC3D數(shù)值模擬分析不同支護(hù)方案支護(hù)后巷道圍巖的力學(xué)特性，進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化，提出了以錨桿、錨索為核心的錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)體系，驗(yàn)證了此支護(hù)方案的可靠性。

3)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，通過錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)深部高應(yīng)力巷道整體性顯著提高且受力均勻，圍巖的承載能力得到加強(qiáng)，錨桿、錨索性能得到充分發(fā)揮，巷道大變形、應(yīng)力集中及底臌等現(xiàn)象得到有效遏制，對(duì)煤礦的安全高效生產(chǎn)起到了有力的推動(dòng)作用。

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Mechanical characteristics and stability control technology ofdeep roadway under high stress

QIAO Wei-guo1，2，SONG Wei-jie1，2，LIN Deng-ge1，2，WU Duo-hua1，2

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Control，Qingdao 266590，China)

Specific to Jiulong Coal Mine -890 meters air inlet pedestrian roadway has serious deformation and destruction due to its complicated engineering geological conditions，large chamber cross section and significant effects of high stress.The paper carried out quantitative analysis of the mechanical characteristics of surrounding rocks of roadway through FLAC3Dnumerical simulation to obtain deep high-stress roadway stress and strain evolution characteristics，combining with composition analysis，mechanical test results of surrounding rocks of roadway.Based FLAC3Dcontrast optimization deep and high stress roadway combination support programs，explore supporting structure，supporting the reliability parameters，the author proposed the wire rope combined supporting scheme taking the anchor bolt and anchor cable as the core.Making the mine pressure observation after the roadway excavation，further verify the rationality of the supporting scheme and the result of numerical simulation，and monitoring the variation characteristics of surrounding rock.Engineering practice shows that adopting the bolt-anchor-shotcrete-mesh combined supporting scheme in the deep roadway under high stress，to effectively improve the integrity and the stability of the roadway.The surrounding rock stress becomes more stability，and the deformation gets more effective control，providing the technical support for the safety and efficient production in the coal mine.

high stress；bolt-anchor-shotcrete-mesh；combined support；numerical simulation；quantitative analysis

2015-01-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51174128)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：NCET-07-0519)；山東科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：YC140322)

喬衛(wèi)國(1963-)，男，山東榮成人，教授，博導(dǎo)，主要從事巖體加固理論與應(yīng)用技術(shù)的研究。E-mail：qiaowg1@163.com。

TD353

A

1004-4051(2015)08-0092-04